Энтальпия испарения

Энергия для преобразования жидкого вещества в газ при заданном давлении

В термодинамике энтальпия испарения (символ $∆ H vap$ ), также известная как ( скрытая ) теплота испарения или теплота испарения , представляет собой количество энергии ( энтальпию ), которое необходимо добавить к жидкому веществу, чтобы превратить некоторое количество этого вещества в газ . Энтальпия испарения является функцией давления и температуры, при которых происходит превращение ( испарение или испарение ).

Энтальпия испарения часто указывается для нормальной температуры кипения вещества. Хотя табличные значения обычно корректируются до 298 К , эта коррекция часто меньше неопределенности измеренного значения.

Теплота испарения зависит от температуры, хотя для небольших температурных диапазонов и для пониженной температуры $T r ≪ 1$ можно предположить постоянную теплоту испарения . Теплота испарения уменьшается с ростом температуры и полностью исчезает в определенной точке, называемой критической температурой ( $T r = 1$ ). Выше критической температуры жидкая и паровая фазы неразличимы, и вещество называется сверхкритической жидкостью .

Единицы

Значения обычно указываются в Дж / моль или кДж/моль (молярная энтальпия испарения), хотя иногда все еще используются кДж/кг или Дж/г (удельная теплота испарения), а также более старые единицы, такие как ккал /моль, кал/г и БТЕ /фунт.

Энтальпия конденсации

Энтальпия конденсации (или теплота конденсации ) по определению равна энтальпии испарения с противоположным знаком: изменения энтальпии испарения всегда положительны (тепло поглощается веществом), тогда как изменения энтальпии конденсации всегда отрицательны (тепло выделяется веществом).

Термодинамический фон

Энтальпию испарения можно записать как

\Delta H_{\text{vap}}=\Delta U_{\text{vap}}+p\,\Delta V

Она равна увеличенной внутренней энергии паровой фазы по сравнению с жидкой фазой плюс работа, проделанная против давления окружающей среды. Увеличение внутренней энергии можно рассматривать как энергию, необходимую для преодоления межмолекулярных взаимодействий в жидкости (или твердом теле, в случае сублимации ). Следовательно, гелий имеет особенно низкую энтальпию испарения, 0,0845 кДж/моль, поскольку силы Ван-дер-Ваальса между атомами гелия особенно слабы. С другой стороны, молекулы в жидкой воде удерживаются вместе относительно сильными водородными связями , и ее энтальпия испарения, 40,65 кДж/моль, более чем в пять раз превышает энергию, необходимую для нагрева того же количества воды от 0 °C до 100 °C ( c _p = 75,3 Дж/К·моль). Однако следует соблюдать осторожность при использовании энтальпий испарения для измерения силы межмолекулярных сил, поскольку эти силы могут сохраняться в некоторой степени в газовой фазе (как в случае с фторидом водорода ), и поэтому расчетное значение прочности связи будет слишком низким. Это особенно касается металлов, которые часто образуют ковалентно связанные молекулы в газовой фазе: в этих случаях для получения истинного значения энергии связи необходимо использовать энтальпию атомизации .

Альтернативное описание заключается в том, чтобы рассматривать энтальпию конденсации как тепло, которое должно быть отдано в окружающую среду, чтобы компенсировать падение энтропии при конденсации газа в жидкость. Поскольку жидкость и газ находятся в равновесии при температуре кипения ( T _b ), Δ _vG = 0, что приводит к:

\Delta _{\text{v}}S=S_{\text{газ}}-S_{\text{жидкость}}={\frac {\Delta _{\text{v}}H}{T_{\text{b}}}}

Поскольку ни энтропия, ни энтальпия не сильно меняются с температурой, обычно используют табличные стандартные значения без какой-либо поправки на разницу в температуре от 298 К. Поправка должна быть сделана, если давление отличается от 100 кПа , так как энтропия идеального газа пропорциональна логарифму его давления. Энтропии жидкостей мало меняются с давлением, так как коэффициент теплового расширения жидкости мал. ^[1]

Эти два определения эквивалентны: точка кипения — это температура, при которой возросшая энтропия газовой фазы преодолевает межмолекулярные силы. Поскольку данное количество вещества всегда имеет более высокую энтропию в газовой фазе, чем в конденсированной фазе ( всегда положительно), и из $\Delta _ {\text{v}}S$

\Delta G=\Delta HT\Delta S

,

Изменение свободной энергии Гиббса уменьшается с ростом температуры: при более высоких температурах преимущество имеют газы, что и наблюдается на практике.

Энтальпия испарения растворов электролитов

Оценку энтальпии испарения растворов электролитов можно просто выполнить с помощью уравнений, основанных на химических термодинамических моделях, таких как модель Питцера ^{[2] или модель TCPC}^[3] .

Выбранные значения

Элементы

Энтальпии испарения элементов
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18
Группа →
↓ Период
1	ЧАС0,90																	Он0,08
2	Ли136	Быть292											Б508	С715	Н5.57	О6.82	Ф6.62	Не1.71
3	На97.4	Мг128											Эл284	Си359	П12.4	С45	Кл20.4	Ар6.53
4	К76.9	Ca155	Сц333	Ти425	В444	Кр339	Мн221	Фе340	Ко377	Ни379	Cu300	Zn115	Га256	Ge334	Как32.4	Сэ95,5	Бр30.0	Кр9.08
5	Руб.75,8	Ср141	И390	Зр573	Кол-во690	Мо617	Тс585	Ру619	резус-фактор494	Пд358	Аг254	Кд99,9	В232	Сн296	Сб193	Те114	я41.6	Хе12.6
6	Сс63,9	Ба140	Лу414	ВЧ648	Та733	Вт807	Повторно704	Ос678	Ир564	Пт510	Ау342	рт.ст.59.1	Тл165	свинец179	Би179	По103	В54.4	Рн18.1
7	Пт65	Ра113	Лрн/д	Рфн/д	Дбн/д	Сгн/д	Бхн/д	Хсн/д	Мтн/д	Дсн/д	Ргн/д	Cnн/д	Нчн/д	Флн/д	Макн/д	Урн/д	Тсн/д	Огн/д

			Ла400	Се398	Пр331	нд289	ПМ289	См172	Евросоюз176	Б-г301	Тб391	Дай280	Хо251	Э-э280	Тм191	Ыб129
			Ас400	Чт514	Па481	У417	Нп336	Пу333	Являюсьн/д	Смн/д	Бкн/д	Ср.н/д	Эсн/д	Фмн/д	Мдн/д	Нетн/д

	Энтальпия в кДж/моль, измеренная при соответствующих нормальных температурах кипения
	0–10 кДж/моль		10–100 кДж/моль			100–300 кДж/моль			>300 кДж/моль

Испарение металлов является ключевым этапом в синтезе паров металлов , в котором используется повышенная реакционная способность атомов или мелких частиц металлов по сравнению с объемными элементами.

Другие распространенные вещества

Энтальпии испарения обычных веществ, измеренные при их соответствующих стандартных температурах кипения:

Сложный	Температура кипения при нормальном давлении			Теплота парообразования
Сложный	(К)	(°С)	(°F)	( кДж/моль )	(Дж/г)
Ацетон	329	56	133	31.300	538,9
Алюминий	2792	2519	4566	294.0	10500
Аммиак	240	−33,34	−28	23.35	1371
Бутан	272–274	−1	30–34	21.0	320
Диэтиловый эфир	307,8	34,6	94.3	26.17	353.1
этанол	352	78.37	173	38.6	841
Водород ( параводород )	20.271	−252.879	−423.182	0,8992	446.1
Железо	3134	2862	5182	340	6090
Изопропиловый спирт	356	82.6	181	44	732.2
Метан	112	−161	−259	8.170	480,6
Метанол	338	64,7	148	35,2 ^[4]	1104
Пропан	231	−42	−44	15.7	356
Фосфин	185	−87,7	−126	14.6	429.4
Вода	373.15	100	212	40.66	2257

Смотрите также

Соотношение Клаузиуса–Клапейрона
Уравнение Шиманского описывает температурную зависимость теплоты парообразования.
Энтальпия плавления , удельная теплота плавления
Энтальпия сублимации
Метод Джобака , оценка теплоты парообразования при нормальной температуре кипения по молекулярным структурам
Скрытое тепло

Ссылки

^ Обратите внимание, что скорость изменения энтропии с давлением и скорость теплового расширения связаны соотношением Максвелла :
$\left({\frac {\partial S}{\partial P}}\right)_{T}=\left({\frac {\partial V}{\partial T}}\right)_{P}.$
^ Ge, Xinlei; Wang, Xidong (20 мая 2009 г.). «Оценка понижения точки замерзания, повышения точки кипения и энтальпии испарения растворов электролитов». Industrial & Engineering Chemistry Research . 48 (10): 5123. doi : 10.1021/ie900434h .
^ Ge, Xinlei; Wang, Xidong (2009). «Расчеты понижения точки замерзания, повышения точки кипения, давления пара и энтальпий испарения растворов электролитов с помощью модифицированной модели корреляции трех характеристик». Журнал химии растворов . 38 (9): 1097– 1117. doi :10.1007/s10953-009-9433-0. ISSN 0095-9782. S2CID 96186176.
^ НИСТ

Ключевые значения CODATA для термодинамики
Гмелин, Леопольд (1985). Gmelin-Handbuch der anorganischen Chemie / 08 a (8., völlig neu Bearb. Aufl. ed.). Берлин [ua]: Шпрингер. С. 116–117 . ISBN. 978-3-540-93516-2.
Веб-книга NIST по химии
Янг, Фрэнсис В. Сирс, Марк В. Земански, Хью Д. (1982). Университетская физика (6-е изд.). Рединг, Массачусетс: Эддисон-Уэсли. ISBN 978-0-201-07199-3.{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)

[1] Обратите внимание, что скорость изменения энтропии с давлением и скорость теплового расширения связаны соотношением Максвелла :
$\left({\frac {\partial S}{\partial P}}\right)_{T}=\left({\frac {\partial V}{\partial T}}\right)_{P}.$

[2] Ge, Xinlei; Wang, Xidong (20 мая 2009 г.). «Оценка понижения точки замерзания, повышения точки кипения и энтальпии испарения растворов электролитов». Industrial & Engineering Chemistry Research . 48 (10): 5123. doi : 10.1021/ie900434h .

[GeWang2009-3] Ge, Xinlei; Wang, Xidong (2009). «Расчеты понижения точки замерзания, повышения точки кипения, давления пара и энтальпий испарения растворов электролитов с помощью модифицированной модели корреляции трех характеристик». Журнал химии растворов . 38 (9): 1097– 1117. doi :10.1007/s10953-009-9433-0. ISSN 0095-9782. S2CID 96186176.

[4] НИСТ